Thuộc chương trình Vườn ươm Khoa học và Công nghệ trẻ năm 2022 – 2023, TS. Nguyễn Tiến Giang - Giảng viên khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, HCMUTE đã được nghiệm thu đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyển pha polyethylene glycol trên nền expanded graphite/SiO2” với xếp loại xuất sắc. Đề tài nghiên cứu tăng cường khả năng tính chất lưu trữ năng lượng nhiệt của vật liệu polyethylene glycol bằng cách kết hợp với vật liệu expanded graphite/SiO2.
Liên quan đến đề tài nghiên cứu, TS. Nguyễn Tiến Giang cũng đã có bài báo “Polyethylene Glycol Confined in SiO2–Modified Expanded Graphite as Novel Form–Stable Phase Change Materials for Thermal Energy Storage”, được đăng trên tạp chị ACS Omega, xếp hạng Q1.
Bài báo “Polyethylene Glycol Confined in SiO2–Modified Expanded Graphite as Novel Form–Stable Phase Change Materials for Thermal Energy Storage”, được đăng trên tạp chị ACS Omega, xếp hạng Q1
Nhu cầu xã hội
Hiện nay, với sự công nghiệp hóa và đô thị hóa đang diễn ra nhanh chóng, hầu hết các quốc gia đều phải đối mặt với nhu cầu sử dụng năng lượng tăng cao trong khi các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Việc tìm kiếm và nghiên cứu các nguồn năng lượng mới, có khả năng tái tạo, thân thiện môi trường đã là chủ đề được quan tâm và thảo luận rất nhiều tại các cuộc họp cấp cao trên thế giới. Tận dụng các nguồn năng tái tạo từ mặt trời và gió đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi như một giải pháp góp phần làm giảm sự phụ thuộc năng lượng vào nguyên liệu hóa thạch. Các nguồn năng lượng này có nguồn cung vô tận, trữ lượng to lớn, và không gây ô nhiễm môi trường, mang lại nhiều hiệu quả đối với kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm là cường độ gián đoạn và không ổn định, gây ra sự lệch pha giữa cung và cầu. Ví dụ, mặt trời có cường độ lớn nhất vào ban ngày khi mà con người có nhu cầu thấp về nhiệt (nước nóng, sưởi ấm); vào buổi tối, khi nhu cầu về nhiệt tăng cao thì mặt trời lại có cường độ yếu nhất. Các nhược điểm này có thể được khắc phục bằng cách lưu trữ năng lượng vào thời điểm cường độ năng lượng cao và sử dụng sau đó khi có nhu cầu.
Lưu trữ năng lượng nhiệt sử dụng vật liệu chuyển pha (Phase change material - PCM) là một kỹ thuật tiên tiến, có khả năng lưu trữ và giải phóng một lượng lớn nhiệt năng dưới dạng nhiệt tiềm ẩn (latent heat) thông qua quá trình chuyển pha rắn-lỏng. Khi PCM ở trạng thái rắn và tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy, PCM nhận nhiệt và hóa lỏng; khi được đặt tại nơi có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy, PCM giải phóng nhiệt năng và hóa rắn. PCM đã được ứng dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng mặt trời, ổn định nhiệt độ trong các tòa nhà, công trình xây dựng, sản xuất nhiệt nóng/lạnh, và thu hồi nhiệt thải. PCM có thể là các chất hữu cơ hoặc vô cơ, mỗi loại thể hiện ưu và nhược điểm riêng. Trong số các PCM, polyethylene glycol (PEG) gần đây đã nhận được nhiều sự quan tâm vì nhiều đặc điểm nổi bật như dung lượng lưu trữ năng lượng cao (~180 J/g) và tính chất lưu trữ nhiệt ổn định sau nhiều chu kỳ nóng chảy/kết tinh. Bên cạnh đó, PEG sở hữu độ bền nhiệt cao, sự thay đổi thể tích nhỏ trong quá trình chuyển pha rắn-lỏng, và giá thành rẻ. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng thực tế của PEG cũng như các PCM khác còn gặp trở ngại do bị rỏ rỉ khi ở trạng thái lỏng và độ dẫn nhiệt thấp. Rò rỉ gây ra mất mát PEG và nguy hiểm đến môi trường xung quanh. Trong khi đó, độ dẫn nhiệt thấp làm chậm tốc độ thu và giải phóng nhiệt năng, dẫn đến hiệu năng lưu trữ năng lượng nhiệt bị giảm.
Ý tưởng thiết kế
Trong nghiên cứu này, để khắc phục hiện tượng rò rỉ, PEG được cố định trong vật liệu xốp expanded graphite (EG) do EG thể hiện các tính chất ưu việt như khả năng hấp phụ PCM cao, độ bền nhiệt và bền hóa học cao, và giá thành rẻ. Đặc biệt, độ dẫn nhiệt siêu cao của EG góp phần làm tăng độ dẫn nhiệt của các SSPCM tạo ra. Tuy nhiên, EG có khuyết điểm là có cấu trúc lỗ xốp hình chữ V (V-shape) và phụ thuộc chính vào lực mao quản khá yếu để cố định PEG. Một khuyết điểm nữa là EG có bản chất ưa dầu với sự hiện diện của các nối sp2 carbon-carbon, do đó không tương thích và không tạo được các liên kết mạnh để lưu giữ các PCM phân cực ưa nước như PEG. Trong các quá trình nóng chảy - kết tinh, các PCM ưa nước dễ bị rò rỉ ra khỏi cấu trúc lỗ xốp của EG, làm giảm tuổi thọ và khả năng lưu trữ năng lượng . Do đó, không tương thích hóa học giữa PEG và EG là trở ngại cho việc kết hợp chúng để tạo thành SSPCM. Để tăng cường độ tương thích giữa PEG và EG, nghiên cứu này đưa ra giải pháp là kết hợp EG với một oxide phân cực là SiO2, qua đo tăng tính ưa nước của EG và tạo ra độ tương thích tốt với PEG.
Kết quả nghiên cứu của đề tài
Theo TS. Nguyễn Tiến Giang: “Ý tưởng về đề tài được hình thành từ năm 2022 và được nghiên cứu đến cuối năm 2023. Đề tài đã tổng hợp thành công vật liệu EG kết hợp với SiO2, cho độ phân cực tốt, qua đó cho hiệu năng hấp phụ PEG cao.”
Kết quả phân tích cho thấy vật liệu tạo ra có dung lượng lưu trữ năng lượng nhiệt cao, ngang với các loại vật liệu hiện có và quy trình tổng hợp có giá thành thấp, dễ thực hiện. Ngoài ra vật liệu có độ bền cao, độ dẫn nhiệt cao, thích hợp cho các ứng dụng lâu dài.
Hiệu quả về kinh tế của đề tài
Đề tài này mang đến một hướng nghiên cứu mới mẻ, có tiềm năng ứng dụng thực tế cao ở Việt Nam. Là một quốc gia có thời tiết ôn đới, Việt Nam chịu khí hậu nóng nực, gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe và tiêu tốn năng lượng lớn cho việc làm mát. Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng đã được chứng minh có thể làm ổn định nhiệt độ trong khi dùng nó làm vật liệu cách nhiệt, giúp ngôi nhà được bảo vệ trước thời tiết nắng nóng mà không cần dùng đến các thiết bị làm mát tiêu tốn năng lượng như quạt và máy lạnh, giúp tiết kiệm năng lượng cho người dùng. Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng có thể trở thành sản phẩm cho các công ty xây dựng hoặc khởi nghiệp ở một lĩnh vực nhiều tiềm năng. Ngoài ứng dụng trong vật liệu xây dựng, vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như thu hồi nhiệt thải tại các công ty, lưu trữ năng lượng mặt trời, sản xuất năng lượng xanh và bền vững, góp phần vào việc nâng cao hiệu quả kinh tế-xã hội.
Định hướng phát triển của đề tài
Hiện nay đề tài đang dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Để mở rộng đề tài, nhóm nghiên cứu sẽ ứng dụng vật liệu vào những ứng dụng cụ thể, thực hiện ở quy mô lớn để đánh giá hiệu năng thực tế.